(57)【要約】【課題】熱源ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる為の循環回路のうちユニット外の循環配管の凍結防止及び逆接続防止可能な貯湯給湯システムを提供すること。【解決手段】貯湯給湯システム１は、熱源ユニット２と貯湯ユニット３との間に熱媒を循環させる循環回路３５を備え、この循環回路３５内の熱媒をポンプ３６によって循環させて熱源ユニット２にて加熱された熱媒を貯湯ユニット３に貯留するものであり、循環回路３５は、熱源ユニット２と貯湯ユニット３とを接続するユニット外循環配管４０を備え、ユニット外循環配管４０のうちの低温の熱媒が流れる低温側循環配管３５ｂの内径を、高温の熱媒が流れる高温側循環配管３５ｅの内径よりも小径に構成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源ユニットと貯湯ユニットとの間に熱媒を循環させる循環回路を備え、この循環回路内の熱媒をポンプによって循環させて前記熱源ユニットにて加熱された熱媒を前記貯湯ユニットに貯留する貯湯給湯システムにおいて、
前記循環回路は、前記熱源ユニットと前記貯湯ユニットとを接続するユニット外循環配管を備え、
前記ユニット外循環配管のうちの低温の熱媒が流れる低温側循環配管の内径を、高温の熱媒が流れる高温側循環配管の内径よりも小径に構成したことを特徴とする貯湯給湯システム。
【請求項２】
前記循環回路を流れる熱媒が最小の流量となる場合、前記低温側循環配管を流れる前記熱媒の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるように前記低温側循環配管の内径を設定したことを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯システム。
【請求項３】
前記熱源ユニットは燃料電池発電装置であり、前記熱媒は前記燃料電池発電装置から排出される排ガスと熱交換加熱されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は貯湯給湯システムに関し、特に熱源ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる為の循環回路のうちユニット外に設置された循環配管の凍結防止及び逆接続防止可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。この燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう熱源ユニットとしての発電ユニットと、この発電ユニットから排出される排気ガスとの間で熱交換された後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、発電ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる為の循環回路とを備え、貯湯給湯システムとして活用されるのが一般的である。
【０００３】
ところで、発電ユニット（熱源ユニット）と貯湯ユニットは、各種器具を一体的にユニット化して夫々構成されている。このため、貯湯給湯システムを施工する場合、発電ユニットと貯湯ユニットとは、隣接状態に設置されるとは限らず、互いに離れた位置に設置される場合も多く、設置する設置場所の制約に応じてユニット単位である程度の自由度を持たせて設置することができる。
【０００４】
発電ユニットと貯湯ユニットの設置後には、これら発電ユニットと貯湯ユニットとを循環回路を介して接続する。循環回路は、特許文献１にも示すように、発電ユニット内に設置された発電側循環配管、貯湯ユニット内に設置された貯湯側循環配管、ユニット間を接続する可撓性のあるユニット外循環配管等から構成される。両ユニットの設置レイアウトに応じてユニット外循環配管の長さを適宜調整し、このユニット外循環配管を介してユニット同士を接続することで、貯湯給湯システムを構成している。
【０００５】
尚、ユニット外循環配管は、貯湯ユニットから発電ユニットに向かう往き側の低温側循環配管と、発電ユニットから貯湯ユニットに向う戻り側の高温側循環配管とを備え、これら両循環配管は、一般的に、循環回路の最大流量に合わせた同径のフレキシブル管で夫々構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２０５６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ユニット外循環配管を構成するフレキシブル管は表面が蛇腹状に形成されているので、一般的な円筒状の管状部材より表面積が大きくなり放熱性が高くなる上、フレキシブル管は最大流量に応じて配管径が設定されるので、循環回路を最小流量の湯水が循環する場合、流れる湯水の移動速度が極端に低くなる。このため、冬季に寒冷地等では、運転中にも関わらずユニット外循環配管が凍結する虞がある。特に、ユニット外循環配管のうち低温側循環配管は、熱交換される前の低温の湯水が流れるため、凍結する可能性が最も高くなる。
【０００８】
また、ユニット外循環配管において、貯湯タンクから湯水が熱交換器へ流れる低温側循環配管と熱交換後の湯水が流れる高温側循環配管は、同径のフレキシブル管で夫々構成されているので、これら両循環配管の継手も同じ形状になる。このため、貯湯給湯システムを施工する際に、作業員が対応する継手を間違えて循環配管を逆接続し、この逆接続状態のまま初期運転を実行すると、貯湯給湯システムが損傷してしまう虞がある。
【０００９】
本発明の目的は、熱源ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる為の循環回路のうちユニット外に設置された循環配管の凍結防止及び逆接続防止可能な貯湯給湯システムを提供すること、等である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の貯湯給湯システムは、熱源ユニットと貯湯ユニットとの間に熱媒を循環させる循環回路を備え、この循環回路内の熱媒をポンプによって循環させて前記熱源ユニットにて加熱された熱媒を前記貯湯ユニットに貯留する貯湯給湯システムにおいて、前記循環回路は、前記熱源ユニットと前記貯湯ユニットとを接続するユニット外循環配管を備え、前記ユニット外循環配管のうちの低温の熱媒が流れる低温側循環配管の内径を、高温の熱媒が流れる高温側循環配管の内径よりも小径に構成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の貯湯給湯システムは、請求項１の発明において、前記循環回路を流れる熱媒が最小の流量となる場合、前記低温側循環配管を流れる前記熱媒の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるように前記低温側循環配管の内径を設定したことを特徴としている。
【００１２】
請求項３の貯湯給湯システムは、請求項１又は２の発明において、前記熱源ユニットは燃料電池発電装置であり、前記熱媒は前記燃料電池発電装置から排出される排ガスと熱交換加熱されるものであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、循環回路は、熱源ユニットと貯湯ユニットとを接続するユニット外循環配管を備え、ユニット外循環配管のうちの低温の熱媒が流れる低温側循環配管の内径を、高温の熱媒が流れる高温側循環配管の内径よりも小径に構成したので、低温側循環配管内の熱媒の移動速度が高温側循環配管内の熱媒の移動速度より速くなり、冬季に寒冷地等における低温側循環配管内の熱媒の凍結を抑制することができる。
【００１４】
また、低温側循環配管の外周に極端に厚い断熱材や凍結防止用のヒータを設置せずとも、低温側循環配管内の熱媒の凍結を抑制可能となるので、コストを低減することができる。さらに、低温側循環配管と高温側循環配管との配管径を異ならせることで、循環配管毎に異なるサイズの継手を採用することができ、貯湯給湯システムの施工時におけるユニット外循環配管の逆接続を防止することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、循環回路を流れる熱媒が最小の流量となる場合、低温側循環配管を流れる熱媒の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるように低温側循環配管の内径を設定したので、冬季に寒冷地等であっても低温側循環配管内の熱媒の凍結を抑制することができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、熱源ユニットは燃料電池発電装置であり、熱媒は燃料電池発電装置から排出される排ガスと熱交換加熱されるものであるので、ユニット外循環配管の凍結防止及び逆接続防止を図ることができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係る貯湯給湯システムの概略構成図である。
【図２】ユニット外循環配管の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１９】
先ず、本発明の貯湯給湯システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯システム１は、発電を行なう熱源ユニットとしての発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンク２１を有する貯湯ユニット３と、発電ユニット２と貯湯ユニット３との間に湯水を循環させる為の循環回路３５とから構成された燃料電池コージェネレーションシステムである。
【００２０】
次に、発電ユニット２について簡単に説明する。
図１に示すように、発電ユニット２（燃料電池発電装置に相当する）は、貯湯タンク２１の湯水を加熱する為の貯湯ユニット３の外部熱源であり、燃料電池発電モジュール５、カソード空気ブロア６、燃料ガス昇圧ブロア７、燃料改質空気ブロア８、排気ガス排出通路９、排熱回収用熱交換器１１、水処理装置１２、インバータ１３等から構成されている。
【００２１】
発電ユニット２は、上記の各種器具が外装ケース１４に一体的に収納されて構成され、燃料電池発電モジュール５にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【００２２】
燃料電池発電モジュール５は、燃料電池セルスタック１５、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器１６、燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて水素リッチな改質燃料ガスを生成する燃料改質器１７、燃料電池セルスタック１５の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理するオフガス燃焼室１８等を備え、燃料改質器１７によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１５で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。
【００２３】
排気ガス排出通路９の途中部に排熱回収用熱交換器１１が設けられ、この排熱回収用熱交換器１１によって燃料電池発電モジュール５から排出される排気ガスは循環回路３５を流れる湯水との間で熱交換され、排気ガスに含まれる水蒸気は凝縮され、この凝縮水は水処理装置１２によって回収され不純物を取り除かれ燃料電池発電モジュール５に供給される、所謂、所謂水自立運転が行われている。
【００２４】
次に、貯湯ユニット３について簡単に説明する。
図１に示すように、貯湯ユニット３は、給湯、床暖房パネルへの熱の供給等の機能を有するものであり、貯湯タンク２１、補助熱源機２２、暖房用熱交換器２３、貯湯タンク２１に低温の上水を導入する給水回路２４、貯湯タンク２１内に貯湯された湯水を風呂等の所望の給湯先に供給する給湯回路２５、暖房水を床暖房パネル等に供給する温水暖房回路２６、温水暖房回路の暖房水を加熱する熱利用循環回路２７、各回路２４〜２７に設けられた各種の三方弁２９ｂ〜２９ｄ及び開閉弁３１ａ，３１ｂ等を備え、これらは外装ケース３２内に一体的に収納されて構成されている。
【００２５】
貯湯タンク２１は、高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を貯留可能な上下方向に細長い密閉タンクであり、貯留された温水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク２１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサ３３ａ〜３３ｄにより検出される。
【００２６】
補助熱源機２２は、バーナーや熱交換器等を内蔵した公知のガス給湯器で構成され、熱利用循環回路２７の湯水の温度が不足する等の特別な場合に限り、湯水を再度加熱するものである。暖房用熱交換器２３は、温水暖房回路２６を流れる暖房水を加熱するものであり、熱利用循環回路２７の一部となる熱交換通路部２３ａと、温水暖房回路２６の一部となる熱交換通路部２３ｂとを有している。この暖房用熱交換器２３において、熱利用循環回路２７を流れる高温の湯水と温水暖房回路２６を流れる暖房水との間で熱交換され、暖房水は加熱される。
【００２７】
次に、循環回路３５について説明する。
図１，図２に示すように、循環回路３５は、発電ユニット２と貯湯ユニット３との間に湯水（熱媒に相当する）を循環させる閉回路であり、上流低温側循環配管３５ａ、ユニット外低温側循環配管３５ｂ、下流低温側循環配管３５ｃ、上流高温側循環配管３５ｄ、ユニット外高温側循環配管３５ｅ、下流高温側循環配管３５ｆ等を有し、上流低温側循環配管３５ａの上流端が貯湯タンク２１の下部に接続され、下流高温側循環配管３５ｆの下流端が貯湯タンク２１の上部に接続されている。
【００２８】
上流低温側循環配管３５ａと下流高温側循環配管３５ｆとは、貯湯ユニット３内に設置されている。上流低温側循環配管３５ａから下流高温側循環配管３５ｆに接続する分岐通路２８が分岐され、この分岐部には、貯湯タンク２１を含めた循環回路と貯湯タンク２１をバイパスする循環回路とを択一的に選択可能な三方弁２９ａが設置されている。
【００２９】
下流低温側循環配管３５ｃと上流高温側循環配管３５ｄとは、発電ユニット２内に設置されている。下流低温側循環配管３５ｃの途中部には、排熱回収循環ポンプ３６が設置されている。下流低温側循環配管３５ｃと上流高温側循環配管３５ｄとの間には、排熱回収用熱交換器１１の熱交換通路部１１ａが接続されている。
【００３０】
次に、本発明に関連するユニット外循環配管４０について説明する。
図１，図２に示すように、ユニット外循環配管４０は、発電ユニット２と貯湯ユニット３とを接続するものであり、貯湯ユニット３の貯湯タンク２１から発電ユニット２の排熱回収用熱交換器１１に向って湯水が流れる上記のユニット外低温側循環配管３５ｂ、排熱回収用熱交換器１１から貯湯タンク２１に向って湯水が流れる上記のユニット外高温側循環配管３５ｅとを有している。
【００３１】
ユニット外低温側循環配管３５ｂは、表面が蛇腹状に形成された可撓性を有するステンレス製の管状部材であり、所謂、フレキシブル管で構成され、発電ユニット２と貯湯ユニット３の設置箇所に応じて適当な長さに調整されている。各ユニット２，３の外装ケース１４，３２には、ユニット外低温側循環配管３５ｂの配管径に応じた１対の継手４１ａ，４１ｂが夫々設置され、これら継手４１ａ，４１ｂにユニット外低温側循環配管３５ｂの両端部が連結されている。
【００３２】
ユニット外高温側循環配管３５ｅは、ユニット外低温側循環配管３５ｂと同種のフレキシブル管で構成され、発電ユニット２と貯湯ユニット３の設置箇所に応じて適当な長さに調整されている。各ユニット２，３の外装ケース１４，３２には、ユニット外高温側循環配管３５ｅの配管径に応じた１対の継手４２ａ，４２ｂが夫々設置され、これら継手４２ａ，４２ｂにユニット外高温側循環配管３５ｅの両端部が連結されている。
【００３３】
尚、低温の湯水（熱媒）が流れるユニット外低温側循環配管３５ｂの内径ｒは、熱交換後の高温の湯水が流れるユニット外高温側循環配管３５ｅの内径Ｒよりも小径に構成されている。具体的には、ユニット外低温側循環配管３５ｂを、内径６．８ｍｍ（外径８．０ｍｍ）の配管で構成し、ユニット外高温側循環配管３５ｅを、内径１１．５ｍｍ（外径１２．７ｍｍ）の配管で構成している。
【００３４】
また、１対の継手４１ａ，４１ｂは、ユニット外低温側循環配管３５ｂに適したサイズのものが採用され、１対の継手４２ａ，４２ｂは、ユニット外高温側循環配管３５ｅに適したサイズのものが採用される。尚、図１に示すように、各継手４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには、水抜き栓が夫々設けられている。
【００３５】
さらに、循環回路３５を流れる湯水が最小の流量となる場合、ユニット外低温側循環配管３５ｂを流れる湯水の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるようにユニット外低温側循環配管３５ｂの内径ｒを設定している。つまり、排熱回収循環ポンプ３６が最小の流量となるように制御されている場合でも、ユニット外低温側循環配管３５ｂを流れる湯水の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるようにユニット外低温側循環配管３５ｂの内径ｒが設定される。
【００３６】
次に、本発明の貯湯給湯システム１の作用及び効果について説明する。
循環回路３５において、通常の排熱回収運転では、図１に示すように、三方弁２９ａは貯湯タンク２１を含めた循環回路側に切り換えられ、貯湯タンク２１から排熱回収循環ポンプ３６を介して湯水が、上流低温側循環配管３５ａ、ユニット外低温側循環配管３５ｂ、下流低温側循環配管３５ｃを通り、排熱回収用熱交換器１１の熱交換通路部１１ａに送られ加熱され、加熱された湯水は、上流高温側循環配管３５ｄ、ユニット外高温側循環配管３５ｅ、下流高温側循環配管３５ｆを通って貯湯タンク２１に戻り貯留される。
【００３７】
この貯湯給湯システム１における、循環回路３５内の循環流量は０．０５〜１Ｌ／ｍｉｎに設定されている。従来では、ユニット外循環配管４０には、往き側戻り側（低温側高温側）に関係なく同じ配管径のもの、例えば、上記の内径１１．５ｍｍ（外径１２．７ｍｍ）の配管で構成されていたが、この配管径の場合、最低循環流量０．０５／ｍｉｎの際の移動速度は８．０ｍｍ／ｓｅｃとなる。冬季に寒冷地等であっても、熱交換後の高温の湯水が流れるユニット外高温側循環配管３５ｅの凍結の可能性は低いが、貯湯タンク２１の下部から低温の湯水が流れるユニット外低温側循環配管３５ｂでは、上記の移動速度では凍結する虞がある。
【００３８】
そこで、ユニット外低温側循環配管３５ｂを、上述のように、内径６．８ｍｍ（外径８．０ｍｍ）の配管で構成することで、最低循環流量０．０５／ｍｉｎの際の移動速度が２３ｍｍ／ｓｅｃとなり、従来の移動速度と比べると３倍〜４倍と速くなり、ユニット外低温側循環配管３５ｂが凍結する可能性が大幅に低減する。最大循環流量１Ｌ／ｍｉｎの際の移動速度は、４５９．１ｍｍ／ｓｅｃとなり、この程度の移動速度では、エロージョンやコロージョンも発生しにくい。
【００３９】
尚、ユニット外低温側循環配管３５ｂの内径に合わせてユニット外高温側循環配管３５ｅの内径も小径にすると、循環回路３５の配管抵抗が上昇してしまい、排熱回収循環ポンプ３６の能力を上げる必要が生じるので、コスト高となってしまう。
【００４０】
このように、循環回路３５は、発電ユニット２と貯湯ユニット３とを接続するユニット外循環配管４０を備え、ユニット外循環配管４０のうちの低温の湯水が流れるユニット外低温側循環配管３５ｂの内径ｒを、高温の湯水が流れるユニット外高温側循環配管３５ｅの内径Ｒよりも小径に構成したので、ユニット外低温側循環配管３５ｂ内の湯水の移動速度がユニット外高温側循環配管３５ｅ内の湯水の移動速度より速くなり、冬季に寒冷地等におけるユニット外低温側循環配管３５ｂ内の湯水の凍結を抑制することができる。
【００４１】
また、ユニット外低温側循環配管３５ｂの外周に極端に厚い断熱材や凍結防止用のヒータを設置せずとも、ユニット外低温側循環配管３５ｂ内の湯水の凍結を抑制可能となるので、コストを低減することができる。さらに、ユニット外低温側循環配管３５ｂとユニット外高温側循環配管３５ｅとの配管径を異ならせることで、循環配管３５ｂ，３５ｅ毎に異なるサイズの継手（継手４１ａ，４１ｂと継手４２ａ，４２ｂ）を採用することができ、貯湯給湯システム１の施工時におけるユニット外循環配管４０の逆接続を防止することができる。
【００４２】
さらに、循環回路３５を流れる湯水（熱媒）が最小の流量となる場合、ユニット外低温側循環配管３５ｂを流れる湯水の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上となるようにユニット外低温側循環配管３５ｂの内径を設定したので、冬季に寒冷地等であってもユニット外低温側循環配管３５ｂ内の湯水の凍結を抑制することができる。
【００４３】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、熱源ユニットとして、燃料電池式の発電ユニット２について説明したが、これに限定する必要はなく、ヒートポンプ式加熱装置、ガスエンジン等を採用しても良いし、これら以外にも種々の公知なものを採用可能である。
【００４４】
［２］前記実施例のユニット外低温側循環配管３５ｂの内径ｒが、ユニット外高温側循環配管３５ｅの内径Ｒよりも小径に構成され、ユニット外低温側循環配管３５ｂを流れる湯水の移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃ以上に達成できるものであれば、上記のサイズに限定する必要はなく、また、継手４１ａ，４１ｂと継手４２ａ，４２ｂも配管径に応じて適宜変更可能である。
【００４５】
［３］前記実施例のユニット外低温側循環配管３５ｂの外周とユニット外高温側循環配管３５ｅの外周を薄い断熱材を覆っても良い。
【００４６】
［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４７】
１  貯湯給湯システム
２  発電ユニット（熱源ユニット）
３  貯湯ユニット
２１  貯湯タンク
３５  循環回路
３５ｂ  ユニット外低温側循環配管
３５ｅ  ユニット外高温側循環配管
４０  ユニット外循環配管
【図１】
2013221716.tif 000003
【図２】
2013221716.tif 000004